近年來，3D打印行業發展神速（sù），能夠給製造業和社會帶來的經濟（jì）利益。但是，3D打（dǎ）印生產的（de）零件並（bìng）不是完美無瑕，裏（lǐ）麵經常會伴（bàn）隨著許多（duō）氣孔、未熔化等缺陷（xiàn）的存在。熱等靜（jìng）壓技術（shù）最突出的作用是能（néng）夠消除金（jīn）屬零件內部的孔洞缺陷，提高零件的致（zhì）密（mì）度。從金屬3D打（dǎ）印技（jì）術（shù）出（chū）現開始，金屬3D打（dǎ）印似乎就和熱等靜（jìng）壓綁定，組成了（le）標配工藝套餐，尤其是對鈦合（hé）金、鎳基合金的零件更是如此。但（dàn）是熱等靜壓不是萬能的，使用不當仍然會（huì）造成（chéng）很（hěn）嚴重（chóng）的後果。本（běn）文為您解讀熱等靜壓技術（shù）的前世今生，分析熱等（děng）靜壓對（duì）3D打印零件的影響，總結了它在應用時的局限性和注意事項。

熱等靜壓的工作原理和發展曆史

熱等（děng）靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱（chēng）HIP）技術工作原理是將製品放置到密閉的容（róng）器中，向容器內充惰（duò）性氣（qì）體，在很高的溫度（通常接近材料的鍛造溫度）和很高的壓力下（xià）（通常在100～140MPa），使製品得以燒結或致密化，如圖1所示。對於金屬材料，熱等靜壓技術能（néng）夠實現致（zhì）密化消除缺陷（xiàn）的（de）原因是：在高溫下金（jīn）屬材料強度極低、塑性極好，有（yǒu）孔洞區域的金屬（shǔ）受到外界氣體壓力的作用（yòng）發生塑性（xìng）變形，孔洞區域（yù）金屬相互接（jiē）觸發生冶金（jīn）結構使孔洞消失。

熱等靜壓的工藝主要參數有加熱溫度、氣體壓力、保溫時間和氣體介質。材料不同選用的溫度、壓力、保溫時間都各（gè）有很大差異，主要依據材料固態相（xiàng）變和高溫時的（de）強度、塑性選擇工藝參數。例如，TC4鈦合金熱等靜壓工藝通常是920℃和110～120MPa條件下保溫（wēn）1～2小時，惰性氣體采用氬氣。

熱等靜壓技術的出現要遠（yuǎn）遠早於（yú）3D打印技術的誕生，可以說它已經是一項很老（lǎo）的熱處理（lǐ）技術了。上世紀50年代，美國Battelle研究（jiū）所為研製核反應堆材料開展HIP 技術研究，首先用於原子能反應過程中燃料元素（sù）的擴散粘結。1955年美國Battelle研（yán）究所第一台（tái）熱等靜（jìng）壓機的問世，標誌著熱等靜壓技術設備的誕生。1963年傳入歐洲，瑞典ASEA公司用預應力鋼絲纏繞結構製造高壓容器，其（qí）結構緊湊，安全可靠，奠定該技術大力發展的堅實基礎（chǔ）。後經（jīng）肯納金屬（shǔ）公司、北京鋼鐵研究總（zǒng）院、美國AE公司等多家（jiā）機構的不斷改善，大大地拓展（zhǎn）了HIP設備（bèi）的（de）發展及應用。

經過近半個世紀（jì）的發展，熱（rè）等靜壓設（shè）備和技術不斷改進完（wán）善，目前HIP技術現已在硬（yìng）質合金燒結、鎢鋁鈦（tài）等難熔金屬及合金的（de）致密化、產品的缺陷修複（比如3D打印金屬零件）、大型（xíng）及異形構件的近淨成形、複合材料及特種材料的生產加工等方麵得（dé）到了廣（guǎng）泛應用，如表1所示。

熱（rè）等靜壓對3D打印（yìn）金（jīn）屬（shǔ）零件的作用

熱等靜壓可以消除內（nèi）部缺陷。正如上麵所講，熱等（děng）靜壓（yā）在3D打印領域中（zhōng）的應用就是為了消除（chú）最終零件內部的缺（quē）陷。如圖4所示，是熱等靜壓前後的對比金相（xiàng）照片，左圖中黑色“塊”和（hé）“條”是（shì）3D打印過程中形成的氣孔和未熔合缺陷（xiàn），經過熱等靜壓（yā）後（hòu）的右圖中沒有發現（xiàn）較大的缺陷。

熱等靜壓可以改善冷卻速度過快形成（chéng）的過冷組織或（huò）者亞穩（wěn）定（dìng）組織。熱等靜壓通常要在非常高的溫度下加熱，相（xiàng）當（dāng）於一（yī）個高溫退火的過程（chéng）。熱等靜壓完全可以消除快速成形過程由於（yú）冷卻（què）速度快形（xíng）成的馬氏體等組織，從（cóng）而轉變形成高溫退火形態（tài）的組織。如圖5所示，是（shì）Ti-6Al-4V鈦合金經激光SLM形成的（de）金屬零件熱等經驗（yàn）前後的金相照片對比。左圖（tú）是未做HIP的，黑色針狀是（shì）快速冷卻造成的馬氏體組織，右圖中經過HIP後馬氏體組織（zhī）全部分解為交錯分布（bù）的（de）α+β網籃組織。

熱等靜壓可以改善力學性能。熱等靜壓前後材料的力學（xué）性能也發生明顯的變化,如表2所示（shì），無論是激光SLM成形還是電（diàn）子束EBM成形，熱（rè）等（děng）靜（jìng）壓後材料的強度都有下降的趨勢（shì），塑性會升高，尤其（qí）是對SLM技術的材料更為明顯。造成（chéng）這一現象的（de）原因（yīn）是SLM成形過程冷卻速度較快，成型零件形成了更多的馬氏體組（zǔ）織，HIP退火後馬氏體分（fèn）解，引起材（cái）料的強度下降塑性上升。同時，材料的硬度也會隨著HIP發生（shēng）變化，HIP後硬度會下降5～10%。整體上，熱等靜壓可以（yǐ）改（gǎi）善材料的韌性和（hé）抗疲勞裂（liè）紋擴展的能力。

熱等靜壓處理的（de）局限性

熱等靜壓並不是對任何材料和任何缺陷消除都有很好的效果，並且熱等（děng）靜（jìng）壓（yā）工藝（yì）設置不當也會造成很嚴重的（de）後果，因（yīn）此使用（yòng）熱等（děng）靜（jìng）壓時需注意以下事項。

（1） 對開放性缺陷（從（cóng）零件內部（bù）延伸至（zhì）零（líng）件表麵（miàn）與且（qiě）外（wài）界氣體介質相通的缺陷）熱等靜（jìng）壓起不到任何消除（chú）缺陷（xiàn）的作用；

（2） 當零件內存在較大缺（quē）陷時（超過（guò）2mm）會在零件表麵形成（chéng）凹坑，如圖5所示，需要焊接修（xiū）複。當凹坑出現在無法進行焊接修（xiū）複的（de）位置時可能會造成零件報廢，比如一些薄壁零件（jiàn）、薄壁部位或（huò）葉片。

（3） 對裂紋和夾雜物缺陷的消除沒有任何作用；

（4） 熱等靜壓可能會造成零件表麵氧（yǎng）化，形成一層較薄氧化（huà）膜，最好在精加工之間（jiān）進行；

（5） 熱等靜（jìng）壓可能（néng）會造成零件嚴重變形，做熱定靜壓前一定（dìng）要考慮防止變形的措施；

（6） 工藝溫度和壓力設置不當可能會造成零件壁厚減薄，嚴重時會造成（chéng）零件晶（jīng）粒嚴重粗大，導致（zhì）材料性能變差（chà），零件報廢；

（7） 對於合（hé）金元素熔點（diǎn）差異較大的合金可能會造成低（dī）熔點化學（xué）元素燒損；

（8） 對（duì）於共晶合（hé）金（jīn）不適用，容易形成液化裂紋；

盡管熱等靜壓技術具有獨特的消除金屬3D打印零（líng）件內部缺陷的（de）功能，切不可將熱等靜壓當做解決一些材料內部缺陷的救命稻草，使用不當也會造（zào）成嚴重後果。我們仍然要不斷研究金屬3D打印的技術，力（lì）爭（zhēng）做到3D打印零件零件內無缺陷，這才是出路。